Физика /1.Теоретическая физика

К.п.н. Мищик С.А.

Государственный морской университет имени адмирала Ф.Ф.Ушакова ,

Россия

Системные задачи земного магнетизма прикладной физики морского флота

Системные задачи земного магнетизма прикладной физики морского флота отражают целостно-системное моделирование основных элементов транспортных объектов. При этом возникает ориентация на единство базисных характеристик предметных и исполнительных условий относительно предмета содержания и способа его реализации. Рассматриваются: расчёт горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли; компенсация магнитного поля Земли с помощью колец Гельмгольца; определение магнитной индукции поля внутри судового соленоида; расчёт величины зоны застоя картушки магнитного компаса; определение длительности переходного процесса по периоду затухающих колебаний картушки компаса на морском флоте.

В процессе решения системных задач земного магнетизма прикладной физики морского флота необходимо применять основные положения теории деятельности, системного анализа и теории формирования интеллекта.

Системный анализ предполагает выполнение последовательности системных аналитических действий: выделить объект анализа – задачу земного магнетизма прикладной физики морского флота (ЗЗМПФМФ) как систему; установить порождающую среду ЗЗМПФМФ; определить уровни анализа ЗЗМПФМФ; представить целостные свойства ЗЗМПФМФ относительно пространственных, и временных характеристик и их комбинаций; выделить структуру уровня анализа ЗЗМПФМФ; установить структурные элементы уровня анализа ЗЗМПФМФ; определить системообразующие связи данного уровня анализа ЗЗМПФМФ; представить межуровневые связи анализа ЗЗМПФМФ; выделить форму организации ЗЗМПФМФ; установить системные свойства и поведение ЗЗМПФМФ.

Задача 1

В судовой электронной системе по длинному вертикальному проводнику сверху вниз направляется сила тока I=8 А. На каком расстоянии а от проводника судовой электронной системы напряженность магнитного поля, получающегося от сложения земного магнитного поля и поля тока, направлена вертикально вверх? Горизонтальная составляющая напряженности земного поля Н_г=16 А/м.

Ответ: а = 0,08 м.

Задача 2

В судовой электронной системе конденсатор емкостью С=10 мкФ периодически заряжается от батареи с э. д. с. ε = 100 В и разряжается через катушку в форме кольца диаметром D=20 см, причем плоскость кольца совпадает с плоскостью магнитного меридиана. Катушка судовой электронной системы имеет N=32 витка. Помещенная в центре катушки горизонтальная магнитная стрелка отклоняется на угол α=45°. Переключение конденсатора судовой электронной системы происходит с частотой n=100 Гц. Определить по результатам измерений горизонтальную составляющую H_г напряженности магнитного поля Земли.

Ответ: H_г =16 А/м.

Задача 3

В судовой электронной системе алюминиевый провод площадью поперечного сечения S = 1 мм² подвешен в горизонтальной плоскости перпендикулярно к магнитному меридиану, и по нему следует сила тока (с запада на восток) I=1,6 А. Какую долю от силы тяжести, действующей на провод судовой электронной системы, составляет сила, действующая на него со стороны земного магнитного поля? На сколько уменьшится сила тяжести, действующая на единицу длины провода судовой электронной системы, вследствие этой силы? Горизонтальная составляющая напряженности земного магнитного поля H_г =15 А/м.

Ответ: доля от силы тяжести 0,125%;

сила тяжести уменьшится на 3,2.10^-5 Н.

Задача 4

Горизонтальная составляющая магнитного поля Земли равна H_г =16 А/м. Рассчитать размеры судовых колец Гельмгольца, позволяющих скомпенсировать магнитное поле Земли, если сила тока в каждой судовой катушке кольца Гельмгольца равна I=200 мА, а число витков рано ω=50 витков.

Ответ:

Задача 5

Горизонтальная составляющая индукции магнитного поля Земли В₁=18 мкТл. Магнитная стрелка судового компаса совершает в магнитном поле Земли малые колебания с периодом Т₁=8,92 с. При помещение магнитная стрелка судового компаса во внутрь судового соленоида, стрелка колеблется с периодом Т₂=0,68 с. Определить магнитную индукцию В₂ поля внутри судового соленоида.

Ответ: В₂ =3,1 мТл.

Задача 6

Определить длительность t_п переходного процесса, если период затухающих колебаний картушки Т₀=22 секунды, фактор затухания f=2,7. Начальное отклонение картушки от меридиана А_н=30⁰, а угол застоя α = 0,3⁰ .

Ответ: t_п = 51,2 с .

Задача 7

Определить величину зоны застоя картушки магнитного компаса, имеющей магнитный момент М=2 А·м², если напряжённость Нʹ судового магнитного поля составляет 12 А/м, момент М_m сил сухого трения равен 1,5·10^-7 Н·м, а магнитная проницаемость среды μ₀ = 1,26·10^-6 Н/А² .

Ответ: α_ч = 0,28⁰ .

Задача 8

В судовой электронной системе по длинному проводу, протянутому перпендикулярно плоскости магнитного меридиана в направлении на запад, следует сила тока I=15 Ампер. Напряжённость магнитного поля Земли в данном месте равна Н=40А/м, а угол наклона составляет α=70°. 1). Укажите точку вблизи середины провода судовой электронной системы, в которой напряжённость результирующего магнитного поля равна нулю. 2). Определить напряжённости результирующего магнитного поля на а=5 см выше и ниже провода судовой электронной системы.

Ответ: 1). на 2,1 см ниже и на 5,6 см южнее; 2). 72 А/м ; 50 А/м

Задача 9

Магнитный момент стрелки судового компаса , ее масса m, длина ℓ. Горизонтальная составляющая магнитного поля Земли равна Н. Рассматривая магнитную стрелку судового компаса как тонкий стержень, определить период Т колебаний стрелки судового компаса в магнитном поле Земли.

Ответ: .

Задача 10

Судовой магнит с магнитным моментом в виде цилиндрического стержня массы m и радиуса R подвешен за свою середину перпендикулярно к оси просверлено очень малое отверстие, в котором закреплена нить. Определить расположение стержня судового магнита в магнитном поле Земли, горизонтальная и вертикальная составляющие которого соответственно равны Н_Г и Н_В .

Ответ: .

Литература:

Иродов И. Е. Задачи по общей физике. М.: Наука, 1979 - С.368